手工电弧焊

5.1 概述

5.1.1 焊接方法的分类

焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料使焊件达到原子结合的一种加工方法。因此，焊接是一种重要的金属加工工艺，它能使分离的金属连接成不可拆卸的牢固整体。

焊接方法可分为三大类：熔化焊、压力焊和钎焊。

熔化焊是将焊接接头加热至熔化状态而不加压力的一类焊接方法。其中电弧焊、气焊应用最为广泛。

压力焊是对焊件施加压力，加热或不加热的焊接方法。其中电阻焊应用较多。

钎焊是采用熔点比焊件金属低的钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料的熔点而焊件金属不熔化，利用毛细管作用使液态钎料填充接头间隙与母材原子相互扩散的焊接方法。如铜焊等。

熔化焊、压力焊和钎焊三类焊接方法，依据其工艺特点又可将每一类分成若干种不同的焊接方法，如图5-1所示。

图5-1 常用的焊接方法

5.1.2 焊接的特点及应用

当今世界已大量应用焊接方法制造各种金属构件。焊接方法得到普遍的重视并获得迅速发展，它与机械连接法(如铆接、螺栓连接等)相比具有以下特点：

⑴焊接质量好。焊缝具有良好的力学性能，能耐高温、高压、低温，并具有良好的气密性、导电性、耐腐蚀性和耐磨性等；焊接结构刚性大，整体性好。

⑵焊接适用性强。可以较方便地将不同形状与厚度的型材相连接；可以制成双金属结构；可以实现铸、焊结合件，锻、焊结合件、冲压、焊结合件，以致实现铸、锻、焊结合件等；焊接工作场地不受限制，可在场内、外进行施工。

⑶省工省料成本低、生产率高。采用焊接连接金属，一般比铆接节省金属材料10%～20%。焊接加工快、工时少、劳动条件较好，生产周期短，易于实现机械化和自动化生产。

⑷焊接设备投资少。焊接生产不需要大型、贵重的设备，因此投产快，效率高，同时更换产品灵活方便，并能较快地组织不同批量、不同结构件的生产。

⑸焊接也存在一些问题，例如焊后零件不可拆，更换修理不方便；如果焊接工艺不当，焊接接头的组织和性能会变坏；焊后工件存在残余应力和变形，影响了产品质量和安全性；容易形成各种焊接缺陷，如应力集中，裂纹，引起脆断等。但只要合理地选用材料、合理选择焊接工艺、精心操作，以及严格的科学管理，就可以将焊接问题及缺陷的严重程度和危害性降低到最低限度，保证焊件结构的质量和使用寿命。

5.1.3 熔化焊的焊接接头

在两焊件的连接处为焊接接头，简称接头，如图5-2所示。被焊工件的材料称为母材料，或称基本金属。焊接中：母材局部受热熔化形成熔池，熔池不断移动并冷却后焊缝；焊缝侧部分母材受焊接加热的影响而引起金属内部组织和力学性能变化的区域，称为焊接热影响区；焊缘与母材交接的过渡区其受热到固相和液相之间，母材部分熔化，此区域称为熔合区，也称半熔化区。因此。焊接接头是由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成。

图5-2 熔焊焊接头的组成

a)对接头 b)搭接接头

1-熔焊金属 2-熔合区 3-热影响区 4-母材

焊缝各部分的名称如图5-3所示。焊缝高出母材表面的高度叫堆高(余高)；熔化的宽度，即冷却凝固后的焊缝宽度，称为熔宽；母材熔化的深度叫熔深。

图5-3 焊缝各部分名称

5.2 手工电弧焊

电弧焊是熔化焊中最基本的焊接方法，它也是在各种焊接方法中应用最普遍的焊接方法，其中最简单最常见的是用手工操作电焊条进行焊接的电弧焊，称为手工电弧焊，简称手弧焊。手弧焊的设备简单，操作方便灵活，适应性强。它适用于厚度2mm以上的各种金属材料和各种形状结构的焊接，尤其适于结构形状复杂、焊缝短或弯曲的焊件和各种不同空间位置的焊缝焊接。手弧焊的主要缺点是焊接质量不够稳定，生产效率较低，对操作者的技术水平要求较高。

5.2.1 手弧焊的焊接过程

首先将电焊机的输出端两极分别与焊件和焊钳连接，如图5-4所示。再用焊钳夹持电焊条。焊接时在焊条与焊件之间引出电弧，高温电弧将焊条端头与焊件局部熔化而形成熔池。然后，熔池迅速冷却、凝固形成焊缝，使分离的两块焊件牢固地连接成一整体。焊条的药皮熔化后形成熔渣覆盖在熔池上，熔渣冷却后形成渣壳对焊缝起保护作用上。最后将渣壳清除掉，接头的焊接工作就此完成。

图5-4 手工电弧焊示意图

5.2.2手弧焊设备

手弧焊的主要设备是弧焊机，俗称为电焊机或焊机。电焊机是焊接电弧的电源。现介绍国内广泛使用的弧焊机，如图5-5所示。

1、BX3—300型交流弧焊机

图5-5交流弧焊机

2、直流弧焊机

直流弧焊机供给焊接用直流电的电源设备，如图5-6所示。其输出端有固定的正负之分。由于电流方向不随时间的变化而变化，因此电弧燃烧稳定，运行使用可靠，有利于掌握和提高焊接质量。

使用直流弧焊机时，其输出端有固定的极性，即有确定的正极和负极，因此焊接导线的连接有两种接法，如图5-7所示。

1)正接法焊件接直流弧焊机的正极，电焊条接负极；

2)反接法焊件接直流弧焊机的负极，电焊条接正极。

导线的连接方式不同，其焊接的效果会有差别，在生产中可根据焊条的性质或焊件所需热量情况来选用不同的接法。在使用酸性焊条时：焊接较厚的钢板采用正接法，因局部加热熔化所需的热量比较多，而电弧阳极区的温度高于阴极区的温度，可加快母材的熔化，以增加熔深，保证焊缝根部熔透；焊接较薄的钢板或对铸铁、高碳钢及有色合金等材料的焊接，则采用反接法，因不需要强烈的加热，以防烧穿薄钢板。当使用碱性焊条时，按规定均应采用直流反接法，以保证电弧燃烧稳定。

图5-7 直流电弧焊的正接与反接

5.2.3 手弧焊工具

常用的手弧焊工具有焊钳、面罩、清渣锤、钢丝刷等，如图5-8所示，以及焊接电缆和劳动保护用品。

a)焊钳 b)面罩 c)清渣锤 d)钢丝刷

图5-8 手弧焊工具

1)焊钳是用来夹持焊条和传导电流的工具。常用的有300A和500A两种。

2)面罩是用来保护眼睛和面部，免受弧光伤害及金属飞溅的一种遮蔽工具。有手持式和头盔式两种。面罩观察窗上装有有色化学玻璃，可过滤紫外线和红外线，在电弧燃烧时能通过观察窗观察电弧燃烧情况和熔池情况，以便于操作。

3)清渣锤(尖头锤) 用来清除焊缝表面的渣壳。

4)钢丝刷在焊接之前，用来清除焊件接头处的污垢和锈迹；焊后清刷焊缝表面及飞溅物。

5)焊接电缆常采用多股细铜线电缆，一般可选用YHH型电焊橡皮套电缆或THHR型电焊橡皮套特软电缆。在焊钳与焊机之间用一根电缆连接，称此电缆为把线(火线)。在焊机与工件之间用另一根电缆(地线)连接。焊钳外部用绝缘材料制成，具有绝缘和绝热的作用。

5.2.4 电焊条

电焊条（简称焊条）是涂有药皮的供手弧焊用的熔化电极。

1.焊条的组成及作用

焊条是由焊芯和药皮两部分组成，如图5-9所示。

1)焊芯：焊芯是焊条内被药皮包覆的金属丝。它的作用是：

⑴起到电极的作用。即传导电流，产生电弧。

⑵形成焊缝金属。焊芯熔化后，其液滴过渡到熔池中作为填充金属，并与熔化的母材熔合后，经冷凝成为焊缝金属。

图5-9 电焊条结构图

为了保证焊缝金属具有良好的塑性、韧度和减少产生裂纹的倾向，焊芯是经特殊冶炼的焊条钢拉拔制成，它与普通钢材的主要区别在于具有低碳、低硫和低磷。

焊芯牌号的标法与普通钢材的标法基本相同，如常用的焊芯牌号有H08、

H08A、

H08SiMn等。在这些牌号中的含意是：“H”是“焊”字汉语拼音首字母，读音为“焊”，表示焊接用实芯焊丝；其后的数字表示含碳量，如“08”表示含碳量为0.08 % 左右；再其后则表示质量和所含化学元素，如“A”（读音为高），则表示含硫、磷较低的高级优质钢，又如“SiMn”则表示含硅与锰的元素均小于1%（若大于1% 的元素则标出数字）。

焊条的直径是焊条规格的主要参数，它是由焊芯的直径来表示的。常用的焊条直径有2～6 mm，长度为250～450 mm。一般细直径的焊条较短，粗焊条则较长。表5-2是其部分规格。

表5-2 焊条直径和长度规格（单位：mm）

2)药皮：药皮是压涂在焊芯上的涂料层。它是由多种矿石粉、有机物粉、铁合金粉和粘结剂等原料按一定比例配制而成。由于药皮内有稳弧剂、造气剂和造渣剂等的存在见表5-3，所以药皮的主要作用有：

⑴稳定电弧药皮中某些成分可促使气体粒子电离，从而使电弧容易引燃，并稳定燃烧和减少熔滴飞溅等。

⑵保护熔池在高温电弧的作用下，药皮分解产生大量的气体和熔渣，防止熔滴和熔池金属与空气接触。熔渣凝固后形成渣壳覆盖在焊缝表面上，防止了高温焊缝金属被氧化，同时可减缓焊缝金属的冷却速度。

⑶改善焊缝质量通过熔池中的冶金反应进行脱氧、去硫、去磷、去氢等有害杂质，并补充被烧损的有益合金元素。

表5-3 焊条药皮原料及作用

电焊条要妥善保管，应保存在干燥的地方，避免受潮。特别是碱性焊条，每次使用前都要经烘干处理后才能使用。

2.焊条的分类、型号及牌号

1)焊条的分类

焊条的品种繁多，有如下分类方法：

⑴按用途分类：按国家标准可分为七大类：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、铜及铜合金焊条和铝及铝合金焊条。其中碳钢焊条使用最为广泛。

⑵按药皮熔化成的熔渣化学性质分类：焊条分为酸性焊条和碱性焊条两大类。药皮熔渣中以酸性氧化物(如SiO2，TiO2，Fe2O3)为主的焊条称为酸性焊条。药皮熔渣中以碱性氧化物(如CaO，FeO，MnO，MgO，Ma2O)为主的焊条称为碱性焊条。在碳钢焊条和低合金钢焊条中，低氢型焊条(包括低氢钠型、低氢钾型和铁粉低氢型)是碱性焊条，其他涂料的焊条均属酸性焊条。

酸性焊条具有良好的焊接工艺性，电弧稳定，对铁锈、油脂和水分等不易产生气孔，脱渣容易，焊缝美观，可使用交流或直流电源，应用较为广泛。但酸性焊条氧化性强，合金元素易烧损，脱硫、磷能力也差，因此焊接金属的塑性、韧性和抗裂性能不高，适用于一般低碳钢和相应强度的结构钢的焊接。

碱性焊条氧化性弱、脱硫、磷能力强，所以焊缝塑性、韧性高，扩散氢含量低、抗裂性能强。因此，焊缝接头的力学性能较使用酸性焊条的焊缝要好，但碱性焊条的焊接工艺性较差，仅适于直流弧焊机，对锈、水、油污的敏感性大，焊件易产生气孔，焊接时产生有毒气体和烟尘多，应注意通风。